بروتوكول لجمع وبناء Lysimeters الأساسية التربة
Summary
A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.
Abstract
Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact.
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).
Introduction
شبه جزيرة ديلمارفا الحدود مع الشاطئ الشرقي للخليج تشيسابيك، وهو يعيش في واحدة من أكبر مناطق إنتاج الدواجن في الولايات المتحدة. يتم إنشاؤها ما يقرب من 600 مليون دجاجة ويقدر 750،000 طن من السماد من إنتاج هذه الطيور كل عام 1. ويستخدم معظم السماد محليا كتعديل الأسمدة في الحقول الزراعية. بسبب ارتفاع معدلات تاريخيا من تطبيق السماد، تراكمت المواد الغذائية مثل النيتروجين والفوسفور في التربة وأصبحت الآن عرضة للخسائر خارج الموقع عبر باطن الأرض الرشح 2. يتم توجيه جزء كبير من تدفق المياه الجوفية نحو شبكة واسعة من الخنادق التي تستنزف في نهاية المطاف إلى خليج تشيسابيك 3. ترتبط العناصر الغذائية نقله الى خليج إلى تراجع في الصحة وخليج بسبب التشبع الغذائي 4.
ربط إدارة المغذيات مع خسائر خارج الموقع من المواد الغذائية تتطلب أدوات متخصصة لمراقبة الهيدرولوجيةالتدفقات والتحويلات المواد الغذائية المرتبطة بها. تمثل Lysimeters فئة كبيرة من الأدوات المستخدمة لتوصيف وتحديد حركة المواد الغذائية من خلال التربة. Lysimeters لها تاريخ طويل من الاستخدام في تدفق المغذيات مراقبة في المياه الراشحة 5-7، من lysimeters التوتر التي يمكن تعديلها لمواجهة احتمال مصفوفة التربة بحيث تعمل بشكل أفضل مصنع تقدير المياه المتاحة، لlysimeters صفر التوتر التي هي أكثر تمثيلا للعمليات تحدث أثناء الصرف الحرة. كل نهج لlysimetery التحيزات الكامنة الحالية. على سبيل المثال، بعض lysimeters صغيرة جدا لتمثيل كامل العمليات المعقدة من الناحية المكانية في التربة الطبيعية، أو كبيرة جدا ومكلفة لتوفير تكرار الإحصائي جيد للتربة متجانسة 8. وعلاوة على ذلك، تتطلب lysimeters عموم التربة فوقها لتكون مشبعة لجمع العصارة وغير فعالة مقارنة lysimeters التوتر في قياس تدفق مصفوفة 9.
نظم مقياس الذوبان المغلقة،مثل عدم التوتر lysimeters الأساسية التربة (المعروف أيضا باسم lysimeters متراصة التربة)، وتحسن كثيرا من الثقة (على سبيل المثال، والميزانيات المواد الغذائية) التي تنفذ بها ميزانيات المياه والميزانيات الملوثات المرتبطة بها (10). هذه lysimeters هي الأكثر تمثيلا عندما كانت تحتوي على النوى سليمة من التربة؛ lysimeters مليئة التربة إعادة تعبئتها لا تحافظ على بنية الأصلية، آفاق والاتصالات macropore التي تؤثر على نقل المواد المذابة والمركبات على حد سواء الجسيمات 11،12. من نقطة الوقوف التجريبية، النهج التي تيسر أكبر تكرار ظروف التربة دون عائق هي مفيدة، وبالنظر إلى التباين المكاني المتأصل موجود في التربة الفيزيائية والخواص الكيميائية 13.
وقد استخدمت طريقتين المفضلة لجمع lysimeters الأساسية سليمة التربة: انخفاض المطرقة وقطع الرأس. السابق قد تم تنفيذ أكثر شيوعا، كما أنه يمكن أن يتحقق مع أجهزة بسيطة مثل لحم الخنزير زلاجةمير (lysimeters أصغر). عندما يقوم بشكل صحيح، وقد تبين مجموعة أساسية التربة مع انخفاض مطرقة أن تكون التكلفة نسبيا فعالية، خاصة عند مقارنتها مع تقنيات الحفر الأخرى. ومع ذلك، فإن القوات المطلقة التي فرضتها القيادة غلاف مقياس الذوبان في الأرض يمكن أن يسبب تلطيخ والضغط، وتنتج الأوضاع داخل مقياس الذوبان التي لا تمثل التربة الأم، بل وربما يفضلون أنواع معينة من حركة المياه (على سبيل المثال، وتدفق الالتفافية، أو تتدفق على طول حافة الأساسية التربة). ونتيجة لذلك، قد يفضل بعض الباحثين استخدام معدات استخراج عينات جوفية أن قطع تربة سليمة مع جهاز حفر أو غيرها من جهاز الحفر 5.
وقد استخدمت المواد المختلفة وأغلفة لlysimeters الأساسية التربة. أنابيب الصلب ومربعات والتكلفة المنخفضة نسبيا، ودائمة ومتاحة بسهولة، ويمكن استخدامها لجمع lysimeters أكبر نظرا لقوتها 14-17. ومع ذلك، في حين أن الصلب هو مرض لتقييم ارتشاح يختلطمركبات خامل atively مثل النترات والحديد الصلب في يتفاعل مع الفوسفات وبالتالي يجب أن تكون مغلفة أو يعامل بطريقة أخرى لدراسة الرشح الفوسفور. عادة، يتم استخدام أغلفة بلاستيكية لدراسة الرشح الفوسفور، مثل الجدران سميكة (الجدول 80) الأنابيب البلاستيكية التي يمكن أن تصمد أمام تأثير مطرقة انخفاض (في حال استخدامها) والاحتفاظ هيكلها عندما يتم الحصول على النوى التربة قطرها أكبر (على سبيل المثال، ≥30 سم) 18-22.
بشكل عام، يتم تحليل lysimeters الأساسية التربة خارج الموقع. مرة واحدة تم جمعها، قد تكون مثبتة lysimeters الأساسية للتربة في "مزارع مقياس الذوبان" في الهواء الطلق حيث تمثل التربة المحيطة وفوق المناخات الأرض الظروف الميدانية الطبيعية. على سبيل المثال، في السويد، وقد حافظت الجامعة السويدية الزراعية ثلاث مزارع مقياس الذوبان منفصلة على مدى العقود الثلاثة الماضية، وتحليل الممارسات المبيدات مصير والنقل، والمحاكمات خصوبة التربة على المدى الطويل، والإدارة التي يمكن زيادتها إلى 30 سم القطر إنتط م النوى 23. كما تم إخضاع lysimeters الأساسية التربة لتجارب الترشيح في الأماكن المغلقة عندما يكون هناك مزيد من السيطرة على الظروف المناخية 24،25. ليو وآخرون. استخدام جهاز محاكاة هطول الأمطار للري بانتظام lysimeters الأساسية التربة تحت مجموعة من الصيد المحاصيل 26. كيبيت وكون كل تقنيات الري ناحية يعملون لدراسة الزرنيخ والرشح المواد الغذائية من خلال النوى التربة 27،28.
مجموعة متنوعة من العمليات عوامل التربة والهيدرولوجية ويمكن الاستدلال على ذلك من lysimeters الأساسية التربة. كون وآخرون (2015) المستخدمة قطرها 30 سم lysimeters العمود PVC للتحقيق في تسرب النيتروجين بعد تطبيق اليوريا 28. من خلال جمع العصارة على فترات زمنية مختلفة التالية حدث الري، أنهم كانوا قادرين على التفريق بين التدفقات السريعة وتدريجية، مع السابق يفترض أن يهيمن عليها تدفق macropore، وتولى في وقت لاحق أن يهيمن عليها تدفق المصفوفة. منذ اليوريا وتحلل بسهولة عندما تكون في واي اتصالالتربة عشر، فسروا وجود تركيزات اليوريا مرتفعة في العصارة التي تم جمعها بعد تطبيق اليوريا كدليل على النقل macropore أن تجاوز مصفوفة التربة قريبا. مع مرور الوقت، وتركيزات مرتفعة من أشكال مختلفة من النيتروجين في العصارة، وتتبع التحول من اليوريا تطبيقها على الأمونيوم بعد التحلل الأول، ثم تحول الأمونيوم إلى نترات مع النترجة.
لتوضيح الاعتبارات في تصميم وتنفيذ وتفسير تجارب مقياس الذوبان الأساسية التربة، أجرينا تحقيقا من أربعة أنواع مختلفة من التربة الموجودة في السهل الساحلي منتصف المحيط الأطلسي من الولايات المتحدة الأمريكية. دراسة قياس تركيز الرشح وفقدان نترات قبل وبعد تطبيق السماد الجاف الدواجن (أي والدواجن "القمامة") 28. خسائر المغذيات من تطبيق القمامة الدواجن إلى التربة هي مصدر قلق رئيسي لصحة خليج تشيسابيك، وفهم التفاعل التطبيقيةوهناك حاجة القمامة الدواجن وخواص التربة الزراعية لتحسين توصيات إدارة المغذيات. نقدم هنا طريقة مفصلة لاستخراج سليمة lysimeters الأساسية التربة، وتتبع رطوبة التربة، وتفسير خسائر تسرب النترات التفاضلية من هذه التربة.
هذه التجربة هي جزء من دراسة أكبر أجريت لتقييم الرشح المواد الغذائية من التربة الزراعية من شبه جزيرة ديلمارفا، الولايات المتحدة الأمريكية 27،28. تم جمع lysimeters الأساسية التربة من المواقع في ولاية ديلاوير وماريلاند وفرجينيا في عام 2010. وهنا نقدم نتائج غير منشورة من هذه الدراسات. على الرغم من أن أجريت التجارب الأولية لتقييم الرشح الفوسفور والرشح النترات من أطروحات التربة وراقب أيضا.
وأخذت عينات من أربعة التربة الزراعية المشتركة من السهل الساحلي الأطلسي للخليج تشيسابيك مستجمعات المياه: Bojac (الخشنة طفيلي، مختلطة، semiactive، حراري مثال او نموذج Hapludult)؛ Evesboro (ميسيتش، المغلفة Lamellجيم Quartzipsamment)؛ Quindocqua (غرامة طفيلي، مختلطة، نشطة، ميسيتش مثال او نموذج Endoaquult)؛ ساسافراس (غرامة طفيلي، صواني، semiactive، ميسيتش مثال او نموذج Hapludult). لكل التربة، وصفت الأفق التشكل من التشكيلات الجانبية التي كشفت عنها الحفريات من الأعمدة (الجدول 1). وتراوحت القوام سطح التربة من الرمل (Evesboro) لطفيلي غرامة الرمال / الرملية الطميية (Bojac وساسافراس) إلى الطمي الطميية (Quindocqua). على الرغم من أن جميع أنواع التربة قد المخصبة تاريخيا مع القمامة الدواجن، طبقت لا شيء في 10 شهرا السابقة للدراسة. وكان كل التربة كانت في عدم الحراثة إنتاج الذرة لموسم واحد على الأقل قبل جمع مقياس الذوبان الأساسية التربة.
بعد جمع، تم نقل lysimeters الأساسية التربة إلى مرفق simulatorium USDA-ARS في كلية ولاية، PA. هناك كانت تخضع لتجارب الري في الأماكن المغلقة (22-26 درجة مئوية) لتقييم الرشح المغذيات تتعلق بتطبيق الدواجن القمامة. على وجه التحديد،رويت lysimeters مع 2 سم من الماء أسبوعيا لمدة 8 أسابيع حتى تم معايرتها النترات في ترشح بين التربة. زبل الدواجن (الجاف الدواجن السماد) ثم تطبيقها على سطح كل التربة بمعدل 162 كغ هكتار واستمر -1 من إجمالي الري N. لمدة 5 اسابيع اخرى. سجلت أجهزة استشعار الرطوبة محتوى الرطوبة الحجمي على فترات 5 دقائق متواصلة، طوال دورة الري والرشح. تم جمع العصارة بعد 24 ساعة، ومرة أخرى 7 أيام في وقت لاحق مباشرة قبل الري.
وقد تم تحليل البيانات الراشح من lysimeters الأساسية التربة باستخدام الإحصاء الوصفي بسيطة لتوضيح الاختلافات في كمية الراشح والجودة بين التربة، فضلا عن الخلافات قبل وبعد تطبيق القمامة. لأنه تم وضع أجهزة استشعار رطوبة التربة في اثنين فقط من lysimeters الأساسية التربة تكرار لكل التربة (Evesboro، Bojac، ساسافراس، Quindocqua)، استندت إحصاءات عن محتوى رطوبة التربة على N = 2، في حين أن الصورةtatistics لعمق مياه الرشح، وقد استمدت نترات-N التركيز ونترات-N تدفق من lysimeters الأساسية 10 التربة لEvesboro، Bojac وساسافراس و 5 lysimeters الأساسية التربة لQuindocqua. لتقييم أهمية تكرارها داخل التربة، وقد تم حساب معاملات الاختلاف (CV) لعمق العصارة للأرقام تكرار مختلفة. تم استخدام نهج محاكاة مونت كارلو لعينة مرارا وتكرارا مجموعة فرعية من lysimeters الأساسية التربة (N = 3) من إجمالي عدد مكررات داخل كل مجموعة التربة (10 لEvesboro، Bojac، ساسافراس (5)؛ لQuindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات مهمة لجمع مقياس الذوبان
وتوضح الدراسات الرشح تأثير خواص التربة والروث على خسائر النيتروجين إلى المياه الجوفية الضحلة. خواص التربة الفيزيائية مثل قوام التربة، الهيكل الكلي والكثافة الظاهرية توسط في الترشيح من الماء والمو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to the staff of USDA-ARS Pasture Systems and Watershed Management Unit. David Otto was important to both the design and construction of the custom made drop hammer (aka ‘The Intimidator’). Michael Reiner and Terry Troutman assisted in the collection and construction of the lysimeters reported in this study. Sarah Fishel, Charles Montgomery and Paul Spock performed all of the nutrient analyses reported in this manuscript.
Materials
| Schedule 80 PVC Pipe | Fry's Plastic | Call | Sold in 10 ft lengths |
| Fernco Fittings | Fry's Plastic | Call | 12 in. diameter |
| Type II PVC plates for perforated discs | AIN Plastic | Call | Sold in 4' x 8' sheets of PVC II Vintec II |
| Schedule 40 PVC Caps | Fry's Plastic | Call | 12 in. diameter |
| Stainless Steel Screws | Fastenal | 135716 | #8 Bugle Head Phillips Drive Sharp Point Grade 18-8 Stainless Steel |
| Silicone II Caulk | Lowe's | 447488 | |
| Nylon Tube Fitting | United State's Plastic Corp. | 61137 | 0.5 in. NPT |
| Foodgrade Tubing | Lowe's | 443209 | 0.5 in. vinyl |
References
- Patterson, P. H., Lorenz, E. S., Weaver, W. D., Schwart, J. H. Litter production and nutrients from commercial broiler chickens. J. Applied Poultry Res. 7 (3), 247-252 (1998).
- Cullum, R. F. Macropore flow estimations under no-till and till systems. Catena. 78, 87-91 (2009).
- Kladivko, E. J., et al. Nitrate leaching to subsurface drains as affected by drain spacing and changes in crop production systems. J. Environ. Qual. 33, 1803-1813 (2004).
- Persson, L., Bergstrom, L. Drilling method for collection of undisturbed soil monoliths). Soil Sci. Soc. Am. J. 55 (1), 285-287 (1991).
- Belford, R. K. Collection and evaluation of large soil monoliths for soil and crop studies. J. Soil Sci. 30 (2), 363-373 (1979).
- Dell, C. J., Kleinman, P. J. A., Schmidt, J. P., Beegle, D. P. Low disturbance manure incorporation effects on ammonia and nitrate loss. J. Environ. Qual. 41, 928-937 (2012).
- Owens, L. B. Nitrate-nitrogen concentrations in percolate from lysimeters planted to a legume-grass mixture. J. Environ. Qual. 19, 131-135 (1990).
- Zhu, Y., Fox, R. H., Toth, J. D. Leachate collection efficiency of zero-tension pan and passive capillary fiberglass wick lysimeters. Soil Sci. Soc. Am. J. , (2002).
- Jemison, J. M., Fox, R. H. Estimation of zero-tension pan lysimeter collection efficiency. Soil Sci. 154, 85-94 (1992).
- Corwin, D. L. Evaluation of a simple lysimeter-design modification to minimize sidewall flow. J. Contaminant Hydrology. 42 (1), 35-49 (2000).
- Havis, R. N., Alberts, E. E. Nutrient leaching from field decomposed corn and soybean residue under simulated rainfall. Soil Sci. Soc. Am. J. 57, 211-218 (1993).
- Bergstrom, L., Johanssson, R. Leaching of nitrate from monolith lysimeters of different types of agricultural soils. J. Environ. Qual. 20, 801-807 (1991).
- Lotter, D., Seidel, R., Liebhardt, W. The performance of organic and conventional cropping systems in an extreme climate year. Am. J. Alternative Agriculture. 18 (3), 146-154 (2003).
- Moyer, J., Saporito, L., Janke, R. Design, construction, and installation of an intact soil core lysimeter. Agronomy J. 88 (2), 253-256 (1996).
- Stout, W. L., et al. Nitrate leaching from cattle urine and feces in northeast US. Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1787-1794 (1997).
- Stout, W. L., Gburek, W. J., Schnabel, R. R., Folmar, G. J., Weaver, S. R. Soil-climate effects on nitrate leaching from cattle excreta. J. Environ. Qual. 27, 992-998 (1998).
- Kleinman, P. J. A., Srinivasan, M. S., Sharpley, A. N., Gburek, W. J. Phosphorus leaching through intact soil columns before and after poultry manure applications. Soil Sci. 170 (3), 153-166 (2005).
- Kleinman, P. J. A., Sharpley, A. N., Saporito, L. S., Buda, A. R., Bryant, R. B. Application of manure to no-till soils: Phosphorus losses by subsurface and surface pathways. Nutr. Cycling Agroecosyst. 84, 215-227 (2009).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Approximating phosphorus release to surface runoff and subsurface drainage. J. Environ. Qual. 30, 508-520 (2001).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Phosphorus losses in subsurface flow before and after manure application. Sci. Total Environ. 278, 113-125 (2001).
- Brock, E. H., Ketterings, Q. M., Kleinman, P. J. A. Phosphorus leaching through intact soil cores as influenced by type and duration of manure application. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 77, 269-281 (2007).
- Svanback, A., et al. Influence of soil phosphorus and manure on phosphorus leaching in Swedish topsoils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 96, 133-147 (2013).
- Feyereisen, G. W., et al. Effect of direct incorporation of poultry litter on phosphorus leaching from coastal plain soils. J. Soil Water Cons. 65 (4), 243-251 (2010).
- Williams, M. R., et al. Manure application under winter conditions: Nutrient runoff and leachate losses. Trans. ASABE. 54 (3), 891-899 (2011).
- Liu, J., Aronsson, H., Ulén, B., Bergström, L. Potential phosphorus leaching from sandy topsoils with different fertilizer histories before and after application of pig slurry. Soil Use Mgmt. 28, 457-467 (2012).
- Kibet, L. C., et al. Transport of dissolved trace elements in surface runoff and leachate from a coastal plain soil after poultry litter application. J. Soil Water Cons. 68 (3), 212-220 (2013).
- Han, K., et al. Phosphorus and nitrogen leaching before and after tillage and urea application. J. Environ. Qual. 44, 560-571 (2014).
- Day, P. R., Black, C. A. This chapter in Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Properties, Including Statistics of Measurement and Sampling. American Society of Agronomy, Soil Science Society of America. , (1965).
- Kleinman, P. J. A., et al. Phosphorus leaching from agricultural soils of the Delmarva Peninsula, USA. J. Environ. Qual. 44 (2), 524-534 (2015).
- . Lachat Instruments. Determination of nitrate/nitrite in surface and wastewaters by flow injection analysis. QuickChem Method. , (2003).
